DE19613472A1

DE19613472A1 - Vorrichtung zur Wärmedämmung

Info

Publication number: DE19613472A1
Application number: DE19613472A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schaub
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1997-10-09
Also published as: EP0799971A3; EP0799971B1; EP0799971A2; DE59708687D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstech nik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Wärmedämmung von Roto ren thermischer Turbomaschinen, welche insbesondere für die Hochdruckverdichterpartien anwendbar ist.

Stand der Technik

Es ist bekannt, die von den Schaufeln nicht bedeckten Flächen des Rotors von Gasturbinen mittels sogenannter Wärmestauseg mente vor zu großer Wärmeeinwirkung durch die heißen Brenn gase zu schützen. Die Wärmestausegmente werden mit ihren Füs sen in Umfangsnuten zwischen den Laufschaufeln eingeschoben und arretiert. Ihre nach außen gerichteten Flächen werden im Inneren der Segmente meist gekühlt, so daß der Rotor während des Betriebes keiner zu großen Hitze ausgesetzt ist. Nach teilig an diesem Stand der Technik ist, daß einerseits bei der Montage der Maschine das Einschieben und Arretieren bzw. bei der Demontage der Maschine das Lösen und Herausschieben der Wärmestausegmente recht langwierige Prozesse darstellen und andererseits die Wärmestausegmente viel Platz benötigen.

Am Verdichterrotor waren bisher keine Wärmestausegmente not wendig, weil die Druckverhältnisse dort relativ moderat waren (z. B. 15 bar) und dadurch die Temperaturen im Verdichter nicht extrem hoch waren. Dadurch traten keine Festigkeitspro bleme mit dem Rotormaterial auf.

Durch die heutigen hohen wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen strebt man aber in modernen thermischen Turbo maschinen, beispielsweise Gasturbinen, zu immer höheren Wir kungsgraden, was unter anderem auch zu höheren Druck- und Temperaturverhältnissen im Verdichter führt. Beispielsweise werden heutzutage Drücke in Höhe von 30 bar realisiert. Diese sind ohne Gegenmaßnahmen nur mit teurem temperaturbeständi gen Material zu realisieren.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärme dämmung des Rotors einer thermischen Maschine zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und mit welcher ein ausreichen der Schutz des Rotors vor zu großer Wärmeeinwirkung ohne Einsatz von Wärmestausegmenten ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem mit mindestens einer Reihe Laufschaufeln bestückten Rotor thermischer Turbomaschi nen, welcher um eine Achse in einem von einem heißen Medium durchströmten Strömungskanal rotiert, dadurch erreicht, daß im Rotor in Oberflächennähe mindestens ein umlaufender Hohl raum angeordnet ist, welcher über einen Trennungsspalt mit dem Strömungskanal verbindbar ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem im Wegfall des Einsatzes der bisher üblichen Wärmestausegmente zu sehen. Es kann die Zeit für die Montage dieser Elemente gespart werden. Außerdem ist im Strömungskanal gegenüber dem bisher bekann ten Stand der Technik mehr Platz vorhanden, so daß die Ma schine effektiver arbeiten kann. Durch die Anordnung des Trennungsspaltes, der eine Verbindung des wärmedämmenden, in Oberflächennähe des Rotors angeordneten Hohlraumes mit der Oberfläche des Rotors und damit dem Strömungskanal herstellt, ist eine Dehnung der Rotoroberfläche problemlos möglich.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn jeweils ein umlaufender Hohlraum vor und nach jeder Laufschaufelreihe im Rotor ange ordnet ist, weil dadurch eine gleichmäßige Unterbrechung des Wärmeübergangs in axialer Richtung erreicht wird.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die axiale Ausdehnung besag ten Hohlraumes etwa so groß ist wie der axiale Abstand zwi schen zwei benachbarten Hohlräumen. Dann treten keine Festig keitsprobleme im Rotor auf.

Schließlich wird mit Vorteil ein Hohlraum verwendet, welcher eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Dadurch wird die Kerbwirkung der Hohlräume minimiert. Aber auch nahezu quadratische oder dreieckige Querschnittsflächen der Hohlräu me sind denkbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbinenanlage;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt des Rotors mit einer Ausfüh rungsvariante der Erfindung;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt des Rotors mit einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt des Rotors mit einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch in einem Teillängsschnitt eine Gas turbinenanlage. Sie besteht im wesentlichen aus einem auf einer gemeinsamen Welle 1 angeordneten Verdichter 2 und einer Turbine 3, wobei zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 3 eine Brennkammer 4 vorgesehen ist. Die Brennkammer 4 ist hier eine Ringbrennkammer. Vom Verdichter 2 sind nur die letzten Reihen der im Rotor 5 angeordneten Laufschaufeln 6 und der im Schaufelträger 7 eingehängten Leitschaufeln 8 dargestellt, während von der Turbine 3 nur die ersten Reihen der im Rotor 5 angeordneten Turbinenlaufschaufeln 9 und der im Turbinen schaufelträger 10 eingehängten Turbinenleitschaufeln 11 dar gestellt sind. Die Eintrittspartien des Verdichters 3, das Abgasgehäuse und der Kamin der Turbine werden in Fig. 1 nicht gezeigt.

Im Verdichter 3 wird Umgebungsluft komprimiert, die im Hoch druckverdichterteil bereits stark erwärmt ist und deshalb die nicht von den Laufschaufeln 6 des Verdichters 2 bedeckten Flächen des Rotors 5 thermisch so beansprucht, daß ohne die erfindungsgemäße Lösung Festigkeitsprobleme auftreten wür den. Aus dem Verdichter 2 gelangt die komprimierte Luft in die Brennkammer 4. Sie wird mit Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 4 verbrannt. Die Heißgase strömen anschließend über den Turbineneintritt in die Turbine 3 und werden dort entspannt. Das bedeutet, daß die nicht von den Lauf schaufeln 9 der Turbine 3 bedeckten Flächen des Rotors 5 ebenfalls extrem stark thermisch beansprucht werden. Mit der vorliegenden Erfindung soll eine ausreichende Wärmedämmung des Rotors 5 erzielt werden, wobei die Erfindung insbesondere auf die Verdichterpartien anwendbar ist, weil dort die Tempe raturbeanspruchung des Rotors 5 nicht so extrem hoch wie im Turbinenbereich ist.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung darge stellt. Es wird ein Teillängsschnitt des Rotors 5 des Ver dichters 2 gezeigt, der während des Betriebes um die Achse 12 rotiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die im Rotor 5 angeordneten Laufschaufeln 6 nicht dargestellt. Nahe der Rotoroberfläche sind im Rotor 5 mehrere umlaufende Hohlräume 13 angeordnet. Sie weisen jeweils eine kreisförmige Quer schnittsfläche auf und sind jeweils über einen Trennungsspalt 14 mit dem Strömungskanal 15 verbunden. Der Trennungsspalt 14 erlaubt eine Dehnung der Oberfläche bei Beaufschlagung des Verdichters 2 mit der heißen komprimierten Luft und garan tiert somit einen einwandfreien Lauf des Verdichters 2. Die axiale Ausdehnung d eines jeden umlaufenden Hohlraumes 13 ist in vorteilhafter Weise etwa so groß wie der Abstand s zwi schen zwei benachbarten Hohlräumen 13. Dieser Steg zwischen den Hohlräumen 13 hat gegenüber der Oberfläche einen redu zierten Querschnitt zum Bremsen des Wärmeflusses.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante. Die umlaufen den Hohlräume 13 haben im Vergleich zum ersten Ausführungs beispiel keinen kreisförmigen Querschnitt, sondern einen na hezu rechteckigen. Für eine gleichmäßige Wärmedämmung ist es günstig, wenn jeweils ein umlaufender Hohlraum 13 vor und nach jeder Reihe von Laufschaufeln 6 angeordnet ist. Dies ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Hohlräume 13 einen nahezu dreieckigen Querschnitt aufweisen. Wichtig ist, daß die Hohlräume so ausgebildet sind, daß keine Kerb wirkung im Rotor entsteht.

Selbstverständlich kann die Erfindung nicht nur zur Wärmedäm mung des Rotors 5 eines Hochdruckverdichters 2 einer Gastur binenanlage eingesetzt werden. Sie ist beispielsweise auch im Turbinenbereich anwendbar.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2 Verdichter
3 Turbine
4 Brennkammer
5 Rotor
6 Laufschaufeln von Pos. 2
7 Verdichterschaufelträger
8 Leitschaufeln von Pos. 2
9 Laufschaufeln von Pos. 3
10 Turbinenschaufelträger
11 Leitschaufeln von Pos. 3
12 Rotorachse
13 umlaufender Hohlraum
14 Trennungsspalt
15 Strömungskanal
d axiale Ausdehnung von Pos. 13
s axialer Abstand zwischen benachbarten Pos. 13

Claims

1. Vorrichtung zur Wärmedämmung von einem mit mindestens einer Reihe Laufschaufeln (6, 9) bestückten Rotor (5) thermischer Turbomaschinen, welcher um eine Achse (12) in einem von einem heißen Medium durchströmten Strö mungskanal (14) rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (5) in Oberflächennähe mindestens ein umlaufender Hohlraum (13) angeordnet ist, welcher über einen Tren nungsspalt (15) mit dem Strömungskanal (14) verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein umlaufender Hohlraum (13) vor und nach jeder Reihe von Laufschaufeln (6, 9) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung (d) besagten Hohlraumes (13) etwa so groß ist wie der axiale Abstand (s) zwischen zwei benachbarten Hohlräumen (13).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum/die Hohlräume (13) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist/auf weisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum/die Hohlräume (13) eine nahezu rechteckige Querschnittsfläche auf weist/aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum/die Hohlräume (13) eine dreieckige Querschnittsfläche aufweist/auf weisen.